Un equipo internacional de químicos ha encontrado un método para acelerar el desarrollo de nuevos catalizadores. Usando espectroscopia de RMN junto con química computacional, pueden evaluar si las moléculas pueden permitir reacciones.

Aproximadamente el 90 por ciento de todos los procesos químicos en la industria dependen de catalizadores, moléculas que permiten o aceleran reacciones químicas, permitiendo así que tengan lugar a temperaturas más bajas. La analogía de la naturaleza son las enzimas que llevan a cabo complejas transformaciones bioquímicas en el organismo de forma selectiva y muy eficiente.

En la industria, los catalizadores son esenciales para ahorrar energía, haciendo que los procesos sean más sostenibles y, por lo tanto, rentables. Obviamente, existe un gran interés en descubrir nuevos habilitadores de reacción para producir productos químicos y materiales de una manera más eficiente. Sin embargo, El desarrollo de catalizadores es todavía muy empírico hoy en día, confiando en gran medida en prueba y error, ya veces suerte.

Entender los catalizadores en detalle

Para desarrollar nuevos catalizadores y hacerlos más eficientes, es importante comprender en detalle la distribución y la capacidad de unión de sus electrones. Esta estructura electrónica determina el carácter de las moléculas, por ejemplo el color, el olor, pero también la reactividad. Si se conoce la estructura electrónica exacta de un compuesto, también es posible hacer predicciones sobre sus propiedades químicas.

Esto es exactamente lo que los investigadores del grupo del profesor Copéret, en colaboración con un equipo internacional, ahora se han dado cuenta:el uso de la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), uno de los métodos analíticos más comunes en química, en combinación con la química computacional de última generación, ahora pueden obtener información sobre la estructura electrónica de los catalizadores y predecir su reactividad. Esta nueva metodología que acaban de publicar en PNAS hará que el diseño y descubrimiento de catalizadores sea más fácil y menos dependiente de la detección y la serendipia.

Polimerización de etileno

En su estudio, los investigadores investigaron los catalizadores que se utilizan en la industria para polimerizar olefinas. Las poliolefinas son productos químicos básicos como el polipropileno y el polietileno. Sus aplicaciones van desde envases y redes de pesca hasta productos de alta gama como chalecos antibalas. El polietileno se produce polimerizando etileno en presencia de los llamados catalizadores organometálicos, moléculas que contienen un metal unido a al menos un átomo de carbono.

En conferencias de química básica, los estudiantes aprenden que hay solteros, enlaces dobles y triples en moléculas. Y aprenden que las poliolefinas son producidas por catalizadores que contienen un enlace simple metal-carbono. Sin embargo, Este estudio muestra que la realidad no siempre es tan simple:en la clase de catalizadores investigados, el enlace carbono-metal se encuentra entre un enlace simple y un enlace doble, dependiendo del metal y carga.

El carácter de doble enlace determina la reactividad

El grado de este doble enlace es decisivo para la actividad catalítica. Fue exactamente este carácter de doble enlace el que los investigadores pudieron ahora derivar de la espectroscopia de RMN directamente del desplazamiento químico del átomo de carbono. Podrían mostrar que cuanto más se comporta el enlace entre el metal y los átomos de carbono como un doble enlace, cuanto más fácil produzca un catalizador poliolefinas. Los investigadores hasta ahora no habían entendido este hecho, lo que proporciona una conclusión contradictoria:cuanto más carácter de enlace doble tiene el enlace metal-carbono, cuanto más corto y fuerte es, sin embargo, más fácil es romperlo durante la polimerización de olefinas.

Diseñar catalizadores más rápido

Combinando espectroscopia de RMN con cálculos teóricos, ahora es posible predecir si un catalizador permitirá una reacción química. Los investigadores esperan que este nuevo método proporcione a los químicos una mejor comprensión de la estructura electrónica de los catalizadores y acelere el diseño de catalizadores en el futuro.